Para os experimentos de secagem e fluidodinâmica deste trabalho foi utilizado o fertilizante do tipo SSPG (super fosfato simples granulado) que é produzido através da reação de concentrado fosfático com o ácido fosfórico e vapor d’água. Esse material apresenta, na sua composição, aproximadamente 20% de P2O5 (o chamado SSP 00-20-
00) solúvel em água, 7 a 8 % de ácidos livres, e outros componentes ditos inertes. A Tabela 3.1 mostra algumas propriedades físicas do fertilizante SSPG, são elas a massa específica (S), o calor específico (Cp), o diâmetro médio de Sauter (dSauter ) e a porosidade (ε).
A indústria de fertilizantes fornece as informações do produto através da Ficha de Inspeção de Produtos Químicos (FISPQ) a qual contém um valor de densidade de 1100 kg/m³ para o fertilizante SSPG. Para verificar o valor de densidade, neste trabalho foi feito o quarteamento da amostra e posteriormente a massa específica e o dp (diâmetro da esfera de igual volume) da partícula foi obtida pela técnica de picnometria utilizando-se glicerina e um picnômetro de 50 mL e posteriormente a porosidade do material foi calculada através de uma proveta de um litro de volume. O Cp foi obtido de trabalhos anteriores (ARRUDA, 2008). Para a mesma amostra, utilizando-se o equipamento CPA-2-1 HAVER & BOECKER que fornece a análise granulométrica do material, e possibilitou o calculo do diâmetro médio de Sauter, baseado, portanto no diâmetro de Feret (média das maiores dimensões da área projetada da partícula).
Tabela 3.1 - Propriedades físicas do fertilizante SSPG.
s kg/m³ Cp kcal/kgºC dp mm dsauter mm ε % 1845 1,026 2,88 4,88 43
46 3.2 - Cinética de secagem
Para verificar se o material usado neste trabalho possuía as mesmas características em termos de cinética de secagem do material utilizado por ARRUDA (2008) e SILVÉRIO (2010), optou-se por realizar alguns testes de cinética de secagem em camada fina.
Figura 3.1 - Esquema da unidade experimental utilizada para medidas de secagem em camada fina.
Na unidade experimental apresentada na Figura 3.1, um soprador impulsionava o ar através de uma tubulação que possuía um conjunto de resistências elétricas acionadas por um variador de voltagem, sendo então conduzido por um duto termicamente isolado até a célula acoplada ao final da linha. As condições experimentais foram as mesmas utilizadas por ARRUDA (2008). A velocidade do ar era ajustada por meio de válvulas tipo gaveta e medida com o auxílio de um anemômetro de fio quente, introduzido em orifícios anteriores à célula. Na extremidade de saída da tubulação de ar quente da unidade experimental era acoplada a célula contendo o material particulado úmido. Essa célula consistia, basicamente, de um tubo cilíndrico com o mesmo diâmetro da tubulação e era dotada de telas metálicas nas duas bases, formando uma câmara de 1,5 cm de espessura. Anteriormente à célula, encontravam-se instalados termopares para as medidas de temperatura de bulbo úmido e bulbo seco. Por meio dessas medidas foram obtidas a temperatura e a umidade do ar durante o experimento.
A velocidade do ar utilizada nos experimentos foi de 3,0 m/s, a temperatura de 80°C e a umidade inicial do material era de 0,15 kg de água por kg de sólido seco. O
47
ajuste das condições operacionais foi feito com uma célula reserva (idêntica à célula de medida) acoplada à unidade, cuja função era manter constante a condição fluidodinâmica do sistema. Em seguida eram realizadas medidas de temperatura de bulbo úmido e bulbo seco.
Depois de atingidas as condições experimentais, a célula de medida era inserida na unidade, iniciando neste instante a contagem de tempo do experimento (tempo zero). Periodicamente, a célula era retirada e sua massa determinada em uma balança analítica. Durante a obtenção da massa da amostra a célula reserva era acoplada à unidade para manter o equilíbrio térmico e fluidodinâmico do sistema. No final do teste, novas medidas de umidade do ar eram realizadas e a umidade final da amostra submetida à secagem em camada fina era determinada pelo método da estufa (105 2) oC por 24
horas.
Os resultados de cinética de secagem foram comparados com o modelo de PAGE (1949) ajustado a partir dos dados experimentais de ARRUDA (2008).
3.3 - Secador rotatório
O equipamento utilizado neste trabalho foi construído seguindo dimensões de projeto recomendadas na literatura (BAKER, 1988; PERRY e GREEN, 1999). Segundo ARRUDA (2008) a condição ideal de operação do secador contracorrente era de 6 suspensores, com inclinação do tambor de 3° e velocidade rotacional de 3,6 rpm. Assim o secador contracorrente estaria operando em condições que lhe conferem as maiores eficiências de transferência de massa e energia.
A Figura 3.2 mostra um esquema da unidade experimental.
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Sendo assim, os dados experimentais para comparação dos secadores rotoaerados foram obtidos para a inclinação do tambor de 3º e velocidade rotacional de 3,6 rpm. Estes valores foram escolhidos por corresponderem às condições de carregamento ótimo do secador convencional (ARRUDA, 2008).
O aparato experimental mostrado na Figura 3.2 foi constituído por um soprador de 5 cv (1) acoplado a um duto de 2 m de comprimento e 0,2 m de diâmetro (2). Entre esse duto e o secador existe um sistema de aquecimento com resistências elétricas (3), reguladas por um variador de voltagem. A alimentação de sólidos foi feita por meio de uma correia transportadora (4) montada abaixo de um silo (5) onde o material granulado úmido era armazenado. A correia era acionada por um motor de 0,5 cv acoplado a um moto-redutor e a velocidade era regulada por um inversor de freqüência. A rotação do motor também permitia variações através de um inversor de freqüência acoplado à um motor redutor (8). O sólido seco era descarregado na parte inferior do equipamento (7).
A Figura 3.3 mostra uma fotografia da unidade piloto do secador rotatório.
Figura 3.3 – Fotografia da unidade piloto experimental.
O secador rotatório (6) tinha 1,5 m de comprimento e 0,3 m de diâmetro e sua estrutura foi construída de forma a permitir variações em sua configuração. As configurações de secadores rotoaerados, utilizados neste trabalho contêm um tubo central com 1,8 m de comprimento e 0,1 m de diâmetro interno, diretamente acoplado à
49
linha de ar. O mesmo tubo central permitia a adaptação de diferentes diâmetros e quantidades de minitubos. Neste trabalho foram utilizados os minitubos com 9, 6 e 3 mm de diâmetro com diferentes quantidades de mini tubos sendo estas: 42, 56 e 83 tubos. Os diferentes arranjos de minitubos utilizados neste trabalho serão descritos posteriormente.
A Figura 3.4 mostra um esquema das dimensões do secador rotoaerado e a Figura 3.5 mostra uma foto interna do secador rotoaerado.
Figura 3.4 – Esquema das dimensões do secador rotoaerado.
Figura 3.5 – Foto interna do secador rotoaerado.
A Figura 3.6 mostra um esquema do tubo central do secador rotoaerado e o arranjo padrão com as medidas das distâncias dos minitubos.
50
As configurações contendo um total de 83 minitubos possuíam todos os tubos conforme a Figura 3.6. Os tubos das posições radiais centrais apontadas na Figura 3.6 foram obstruídos para os experimentos com as configurações contendo 56 minitubos. Para os experimentos com as configurações contendo 42 minitubos, 14 dos tubos nas posições radiais externas foram obstruídos utilizando-se dispositivos que impediam a passagem de ar pelos furos.
3.4 – Metodologia experimental para avaliação das diferentes configurações de secadores rotoaerados
Neste trabalho foi utilizado um tubo central de mesmas dimensões do tubo do rotoaerado utilizado por ARRUDA (2008). O tubo central deste trabalho, que era diretamente acoplado à linha de ar, continha 27 furos a mais do que o utilizado por ARRUDA (2008). Esta modificação foi feita para permitir a adaptação de maiores quantidades de minitubos de diferentes diâmetros. A Figura 3.7 mostra um esquema da disposição dos furos para os diferentes tipos de tubos centrais. Desta forma foi possível obstruir os furos centrais (configurações com 56 minitubos) do equipamento correspondente a Figura 3.7 (b) e comparar os resultados de tempo de residência e secagem com os dados obtidos por ARRUDA (2008).
Figura 3.7 – Esquema da disposição do minitubos nos tubos centrais do secador rotoaerado.
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Os resultados dos dois equipamentos (com réplicas), correspondendo à mesma configuração (9 mm 56 tubos), um utilizado por ARRUDA (2008) (Figura 3.7 (a)), o outro construído para este trabalho com os furos centrais obstruídos (Figura 3.7 (b)) apresentaram resultados estatisticamente iguais (para o método estatístico t-student). Assim, o efeito da dissipação térmica através dos parafusos que obstruíram os furos centrais foi considerado desprezível mostrando que esta adaptação do equipamento pode ser utilizada para análise do efeito de diferentes quantidades de minitubos na secagem de fertilizantes em secadores rotoaerados.
Com o objetivo de aumentar a eficiência de secagem e estudar o escoamento das partículas dentro do secador rotoaerado, foram selecionadas 19 configurações com diferentes arranjos de minitubos, sendo que as configurações do experimento 1 (com 56 minitubos de 20 mm) e a do experimento 6 (com 56 minitubos de 9 mm) foram estudadas anteriormente no trabalho de ARRUDA (2008) e utilizadas neste trabalho para comparação com as demais configurações.
A Tabela 3.2 apresenta as diferentes distribuições de minitubos utilizadas neste trabalho. Os experimentos 1 ao 9 foram realizados nas configurações do tubo central contendo apenas minitubos de mesmo diâmetro denominadas não híbridas. As demais configurações foram montadas a partir da combinação de diferentes arranjos de minitubos de diâmetros diferentes, também chamadas de configurações híbridas.
A Figura 3.8 mostra a disposição de minitubos para as configuraçãoes com 42, 56 e 83 minitubos.
Figura 3.8 – Disposição de minitubos nos tubos centrais do secador rotoaerado: (a) disposição com 42 minitubos, (b) disposição com 56 mintubos e (c) disposição com 83 minitubos.
(a)
(b)
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Tabela 3.2 – Diferentes configurações de minitubos analisadas. Configuração Descrição das Configurações
1 RT-01 Rotoaerado com 56 minitubos com 20 mm de diâmetro.
2 RT-02 Rotoaerado com 56 minitubos com 12 mm de diâmetro.
3 RT-03: Rotoaerado com 56 minitubos com 9 mm de diâmetro.
4 RT-04: Rotoaerado com 56 minitubos com 6 mm de diâmetro.
5 RT-05 Rotoaerado com 56 minitubos com 3 mm de diâmetro.
6 RT-06: Rotoaerado com 83 minitubos com 9 mm de diâmetro.
7 RT-07: Rotoaerado com 83 minitubos com 6 mm de diâmetro.
8 RT-08 Rotoaerado com 83 tubos de 3 mm.
9 RT-09: Rotoaerado com 42 minitubos com 9 mm de diâmetro.
10 RT-10: Rotoaerado híbrido com 18 primeiros minitubos com 9 mm, próximos
18 minitubos com 6 mm e os últimos 20 minitubos com 3 mm.
11 RT-11: Rotoaerado híbrido com 18 primeiros minitubos com 3 mm, próximos
18 minitubos com 6 mm e os últimos 20 minitubos com 9 mm.
12 RT-12: Rotoaerado híbrido com 27 primeiros minitubos com 9 mm, próximos
27 minitubos com 6 mm e os últimos 29 minitubos com 3 mm.
13 RT-13: Rotoaerado híbrido com 27 primeiros minitubos com 3 mm, próximos
27 minitubos com 6 mm e os últimos 29 minitubos com 9 mm.
14 RT-14: Rotoaerado híbrido com 28 minitubos com 9 mm, 27 minitubos com 6
mm e 28 minitubos com também 9 mm sendo os diâmetros iguais dispostos axialmente e diâmetros diferentes radialmente distribuídos.
15 RT-15: Rotoaerado híbrido com 28 minitubos com 6 mm, 27 minitubos com 9
mm e 28 minitubos com também 6 mm sendo os diâmetros iguais dispostos axialmente e diâmetros diferentes radialmente distribuídos.
16 RT-16: Rotoaerado híbrido com 28 minitubos com 6 mm, 27 minitubos com 9
mm e 28 minitubos com 3 mm sendo os diâmetros iguais dispostos axialmente e diâmetros diferentes radialmente distribuídos.
17 RT-17: Rotoaerado híbrido com 28 minitubos com 6 mm, 28 minitubos com 9
mm sendo a disposição dos tubos disposta de forma intercalada axialmente e radialmente.
18 RT-18: Rotoaerado híbrido com 28 minitubos com 9 mm, 28 minitubos com 3
mm sendo a disposição dos tubos disposta de forma intercalada axialmente e radialmente.
19 RT-19 Rotoaerado híbrido com 28 minitubos com 6 mm, 28 minitubos com 3
mm sendo a disposição dos tubos disposta de forma intercalada axialmente e radialmente.
As configurações 10 a 19 da Tabela 3.2 são as configurações denominadas híbridas. As configurações híbridas 10 a 13 possuem diâmetros de minitubos diferentes axialmente distribuídos, as configurações 14 a 16 possuem diâmetros de minitubos
53
diferentes radialmente distribuídos e as configurações 17 a 19 possuem diferentes diâmetros de minitubos dispostos de forma intercalada.
Para uma primeira avaliação de um total de 19 diferentes configurações de secadores rotoaerados foi adotada uma condição experimental igual em todos os experimentos. Sendo assim esses experimentos foram realizados com velocidade do ar de 1,1 m/s (medidas em um tubo de 0,2 m de diâmetro), temperatura de entrada do ar 85ºC e vazão de sólidos na alimentação 1,0 kg/min.
No Apêndice A são mostradas as fotografias das configurações híbridas da Tabela 3.2.
Uma vez observadas as configurações que se destacaram neste primeiro estudo, ou seja, as que apresentaram maiores valores de taxa de secagem, decidiu-se avaliar o desempenho dessas configurações em diferentes condições experimentais, e assim observar os resultados de secagem frente às variações das condições de: velocidade do ar na entrada (vf), vazão de sólidos alimentada (Gsu) e temperatura do ar de secagem (Tf).
Para esta avaliação foi proposto um planejamento composto central ortogonal (PCC) com 4 réplicas no centro =1,414, (BOX et. al., 1978), elaborado por ARRUDA (2008) conforme a Tabela 3.3.
A partir da utilização deste planejamento foi possível também comparar os resultados do secador convencional concorrente (SILVÉRIO, 2010), contracorrente (ARRUDA, 2008) e as diferentes configurações de secadores rotoaerados que se destacaram na primeira avaliação das configurações.
Para melhor avaliação e comparação da capacidade dos secadores rotoaerados em relação ao secador convencional em maiores condições de carga de sólidos, foram realizados experimentos de secagem e tempo médio de residência para em condições equivalentes, ao experimento 10 da Tabela 3.3, ou seja, maior velocidade de alimentação de ar de secagem, porém, com maiores vazões de alimentação de sólidos. As condições operacionais desses ensaios experimentais podem ser vistos na Tabela 3.4.
Em cada experimento foram feitos ensaios secagem, de tempo de residência, utilizando-se traçadores, e também foram obtidas as cargas de sólidos (massa do holdup) contidas no tambor durante os experimentos. Os valores em negrito da Tabela 3.4 consistem na condição operacional coincidente com o PCC da Tabela 3.3.
54
Tabela 3.3 - Planejamento experimental dos ensaios de secagem do fertilizante SSPG para comparação de desempenho dos secadores convencionais e rotoaerados.
Experimento vf (m/s) Tf (oC) GSU (kg/min) 1 1,5 75 0,8 2 1,5 75 1,2 3 1,5 95 0,8 4 1,5 95 1,2 5 3,5 75 0,8 6 3,5 75 1,2 7 3,5 95 0,8 8 3,5 95 1,2 9 1,1 85 1 10 3,9 85 1 11 2,5 71 1 12 2,5 99 1 13 2,5 85 0,7 14 2,5 85 1,3 15 2,5 85 1 16 2,5 85 1 17 2,5 85 1 18 2,5 85 1
Tabela 3.4 - Condições experimentais para os ensaios de maiores condições de carga de sólidos. v f (m/s) Tf (ºC) Gsu (kg/min)
3,9 85 1,0
3,9 85 1,3
3,9 85 1,9
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3.5 - Procedimento experimental dos ensaios de secagem
Após um tempo igual a três vezes o tempo médio de residência do fertilizante, foram feitas medidas de vazões de sólido iniciais e finais enquanto todas as condições experimentais eram controladas. Assim que as vazões de saída e entrada de sólidos se igualavam, as amostras para determinação de umidade eram recolhidas e os dados de temperatura do sólido e do ar obtidos com o secador operando em estado estacionário. Os testes de secagem foram feitos após a garantia das condições operacionais constantes, ou seja, quando se estivesse em regime permanente. O equipamento era ligado e todas as condições ajustadas para o teste.
Medidas de Vazão
A velocidade média do ar de secagem era medida por um anemômetro de fio quente (de precisão 0,01 m/s) em uma tubulação de 0,2 m de diâmetro. A vazão de sólidos foi obtida pela coleta periódica de amostra na saída do leito e aferição da massa em balança analítica digital de precisão 10-2 g.
Medidas do Tempo de Residência
O tempo de residência foi determinado com a metodologia do uso de traçadores. Foram feitas injeções do tipo pulso de 80 traçadores (fertilizantes com a coloração verde) no sistema de alimentação, quando o secador encontrava-se em regime permanente, sendo recolhidas amostras de 15 em 15 segundos. O material era então analisado e verificava-se a quantidade de traçadores em cada amostra. Ao final de cada teste era recolhida a carga do secador e contabilizada a massa, para cada condição experimental. Com isso, calculava-se a fração de traçadores para cada intervalo de tempo, o que permitia montar uma curva da fração de sólidos (E(t)) em função do tempo de residência. Q(t) correspondia a quantidade de traçadores encontrados no tempo t, Qtotal correspondia ao total de traçadores introduzidos (80 traçadores).O calculo da área sob curva fornecia o tempo médio de residência das partículas (Equações 3.1 e 3.2). Este cálculo foi realizado utilizando-se integração numérica pela regra do trapézio composta. ( ) ( ) total Q t E t Q (3.1)
56 ( ) t E t
(3.2) Temperaturas do Ar e do SólidoA temperatura do ar, na entrada e na saída do secador, era medida utilizando-se termopares de cobre-constantan, previamente calibrados em banhos termostáticos com termômetro padrão, ligados a um amostrador digital de precisão 0,1 oC. A leitura das temperaturas era realizada com o auxílio de mostradores digitais acoplados aos termopares.
Para se obter a distribuição de temperatura dos sólidos, coletados na saída do secador, um termopar foi introduzido no interior de um recipiente termicamente isolado de forma a permitir a obtenção da temperatura do mesmo por calorimetria.
Umidade do Ar e do Sólido
A determinação da umidade do ar na entrada e saída do secador era realizada por meio de medidas de temperaturas de bulbo seco e úmido e a determinação de umidade e temperatura ambiente através de um termo-higro-anemômetro introduzido na mesma posição em que era medida a velocidade de entrada do ar.
Anteriormente ao processo de secagem, o fertilizante era umidificado até a umidade inicial do experimento, geralmente entre a faixa de 0,12 e 0,15 kg de água por kg de sólido seco. A água era fornecida sob a forma de névoa por um bico atomizador a lotes de 6 kg de material, sob constante mistura. Posteriormente este material ficava em repouso por 12 horas para melhor absorção da umidade.
As amostras de fertilizantes eram retiradas na entrada e saída do secador. A massa de cada amostra era obtida e levada a uma estufa à temperatura de (105 ± 2 )oC por 24 horas, sendo a massa úmida e a massa seca das amostras medidas em balança analítica digital com precisão de 10-4g.
Taxa de Secagem
A taxa de secagem foi calculada pela relação entre a quantidade de água evaporada (razão entre a vazão de sólidos úmido (GSU) e a vazão de sólido seco (Gss) ) e o tempo de residência das partículas no secador (τ), como na Equação 3.3
3 10 SU w SS G R G (3.3)
57 Perda de Carga
Para a comparação da perda de carga das diversas configurações de secadores avaliadas, foram obtidos os valores de perda de carga utilizando-se um manômetro em U contendo água. A medida de perda de carga foi feita através de um orifício no tubo central 20 cm antes da entrada do tambor.
3.6 – Metodologia da simulação em CFD para o secador rotoaerado 3.6.1-Modelagem
A simulação do escoamento do ar no secador rotoaerado foi realizada resolvendo a equação da continuidade e da quantidade de movimento para a fase gasosa em regime turbulento, na qual a turbulência foi contabilizada pela resolução do modelo de turbulência k . Desta maneira o software FLUENT ANSYS® 14.0 realiza os cálculos
para as equações da Continuidade (Equação 3.4) e do Movimento (Equação 3.5).
. v Sm t (3.4)
. v . vv p . g F t (3.5)O modelo ké baseado no modelo da equação de transporte da energia
cinética de turbulência (k) e a taxa de dissipação (), expressos pelas Equações 3.6 e
3.7, respectivamente.
t i k b M k i j k j k k ku G G Y S t x x x (3.6)
1
3
2 2 t i k b i j j u C G C G C S t x x x k k (3.7)Nas quais Gké o termo referente à energia turbulenta relacionada à velocidade do fluido, Gbcorresponde ao termo de energia turbulenta relacionada à força de
empuxo, YM corresponde à contribuição das flutuações da dilatação para a taxa de dissipação, C1, C2, C3 são constantes e ek são números de turbulência de
Prandtl para k e respectivamente.
A viscosidade turbulenta é calculada pela Equação 3.8 na qual C é uma
58 2 t k C (3.8)
Os tópicos a seguir mostram como foram conduzidas as simulações realizadas no software FLUENT ANSYS® para a obtenção dos perfis de velocidade de saída do ar nos secadores rotoaerados.
3.6.2-Malha computacional
Primeiramente foram construídas 19 malhas para os secadores rotoaerados nas configurações da Tabela 3.2. O software utilizado para a confecção das malhas foi o GAMBIT 2.3.16®. As malhas utilizadas continham aproximadamente um milhão de células. A Figura 3.9 mostra uma imagem de uma malha construída para avaliação das velocidades de saída nos minitubos do secador rotoaerado.
Figura 3.9 - Exemplo de malha do secador rotoaerado.
3.6.3-Procedimento de solução numérica
O Conjunto de equações de conservação e constitutivas foi resolvido utilizando- se o método dos volumes finitos. O acoplamento entre velocidade e pressão foi definido pelo algoritmo SIMPLE. Os resíduos utilizados foram menores que 10-3. O tempo de simulação de todos os casos foi de 7 segundos e o time-step de 10-4.
59
• Entrada: velocidade 3,63; 8,6 e 12,94 m/s na entrada do tubo central, ou seja 1,1; 2,5 e 3,9 m/s na tubulação dos experimentos, com intensidade de turbulência de 10% baseada no diâmetro hidráulico de 0,11 m (diâmetro da entrada de ar);
• Saída: pressão atmosférica;
• Parede: não deslizamento do fluido.
Para a discretização espacial foi utilizado o modelo Upwind de primeira ordem e para a discretização temporal o modelo implícito de primeira ordem.
3.6.4-Pós processamento
Obtenção experimental e por simulação da velocidade de saída dos mini-tubos:
Para o estudo do efeito do diâmetro dos minitubos na fluidodinâmica do secador rotoaerado foram obtidas experimentalmente as velocidade de saída do ar conforme a metodologia proposta por ARRUDA (2008). Para tanto, foi usado um anemômetro instalado em um tubo com 2 m de comprimento a partir da extremidade do minitubo e 2 in de diâmetro interno, montado na saída de cada minitubo, para se garantir que a interferência da introdução do anemômetro na medida fosse a mínima possível, como mostra a Figura 3.10.
Figura 3.10 – Esquema da disposição do minitubos no tubo central do secador rotoaerado (ARRUDA, 2008).
60
Assim, foi possível calcular a fração volumétrica de ar, dada pela relação entre a vazão volumétrica de ar em cada minitubo e a vazão volumétrica total de ar alimentada